نکات طراحی انفجاری سازه و سازه های مقاوم در برابر انفجار
طراحی انفجاری سازه ها مستلزم آگـاهي از ويژگـي هـاي دينـاميكي مـصالح اسـت. مصالح پاسخ هاي متفاوتي در مقابل بارهـاي دينـاميكي نـسبت بـه بارهـاي اسـتاتيكي از خـود نـشان مي دهند. تحت بارگذاري ديناميكي مصالح به افزايش مقاومتي مي رسند، كه به طـور قابـل ملاحظـه اي مقاومت سازه اي را ارتقاء مي دهد.
در طراحی انفجاری ، سازه هاي در معرض این بارها جهت جذب انرژي، وارد محدودة تغييـر شکل های فرا ارتجاعی مـي شـوند. در نتيجـه مـصالح تـشكيل دهنـده سـازه بايـد داراي رفتـار فـرا ارتجـاعي و شكل پذيري مناسب باشند.
در بارهاي انفجاري، اعمال بار و افزايش تنش در اعضاء بسيار سريع اتفاق مـي افتـد. ايـن بار به صورت آني و گذراست و زمان تناوب آن در اكثـر مـوارد بـسيار كوتـاه تـر از زمـان تنـاوب سـازه مي باشد.
در طراحی انفجاری ، پذيرش تسليم اعضا از جنبـه اقتـصادي ضـروري اسـت. همچنان كـه عضو وارد محدوده فرا ارتجاعي مي شود، جذب انرژي انفجار با ايجاد تعادل بين انرژي انفجار در مقابـل انرژي كرنشي عضو ادامه مي يابد.
مقدار انرژي كرنشي قابل جذب توسط سازه، تابعي از ويژگي هـاي اسـتاتيكي و دينـاميكي مصالح، ويژگي هاي مقاطع و مقدار تغيير شكل هاي خميري مجاز مي باشد. مقدار كل انرژي انفجار كه بايد جذب شود تابعي از بار حداكثر و مدت زمان تداوم انفجار مي باشد.
پاسخ مصالح تحت بارگذاري ديناميكي به طور محسوسي متفاوت از بارگذاري اسـتاتيكي است. در بارگذاري سريع، مصالح نمي توانند با نرخ مشابه بار وارده، تغيير شـكل دهنـد. ايـن خاصـيت باعث ايجاد افزايش در سطح تنش تسليم و همچنين تنش نهايي قبل از گسيختگي مي شود. بـه طـوركلي، هرچه مصالح سريع تر تغيير شكل دهند (افزايش سريع نـرخ كـرنش)، مقاومـت مـصالح افـزايش مي يابد.
افزايش مقاومت ايجاد شده به علت بارگذاري سريع به عضو اجازه مـي دهـد تـا مقاومـت سازه نسبت به حالت استاتيكي افزايش يابد. اين تـاثيرات در طراحـي انفجـاري بـا اسـتفاده از ضـريب افزايش ديناميكي در نظر گرفته مي شود.
مصالح مناسب براي سازه در طراحی انفجاری
مصالح بتن مسلح در طراحی انفجاری
به دليل مقاومت و جرم قابل توجه بتن مسلح، ايـن مـصالح بـه طـور ويـژه اي در برابـر بارهاي انفجاري، مناسب هستند. همچنين بتن، مقاومت موثري در برابر آتش و نفوذ تركش دارد. روش هاي ساده شده جهت طراحي انفجاري بتن مسلح بر اساس پاسخ خمشي بـوده و مشروط به حذف مودهاي شكست ترد مي باشند. جلوگيري از ايجاد مودهاي شكست تـرد بـا محـدود كـردن تـنش هـاي برشـي بـتن و استفاده از تنگ هاي محصوركننده برشي ويژه حاصل مي شود. ميلگردهـاي S400 و کمتر دارای شکل پذیری کافی برای بارهای دینامیکی می باشند. سازه هاي بتن آرمه مورد استفاده در سازه هـاي مقـاوم در مقابـل انفجـار بايـد ضـوابط شكل پذيري بخش مبحث نهم مقررات ملّي ساختمان را برآورده نمايند.
مصالح بنايي مسلح در طراحی انفجاری
به دليل جرم زياد ساختمان هاي با مصالح بنايي مسلح، ايـن سـاختمان هـا مـي تواننـد براي بارهاي انفجاري كم مورد استفاده قرار گيرند. مصالح بنايي به بارهاي ديناميكي مانند بتن مسلح شـده پاسـخ مـي دهنـد، يعنـي بـا افزايش نرخ كرنش مقاومت ديناميكي افزايش مي يابد.
در مصالح بنايي مسلح، محدوديت جايگذاري ميلگردها و مقاومت برشـي كـم درزهـاي ملات، معايب مهم در مقايسه با بتن مـسلح هـستند. اگرچـه سـازه هـاي بنـايي غيرمـسلح در بناهـاي قديمي تر رايج هستند، اما آنها شكل پذيري كافي براي مقاومت در برابـر بارهـاي انفجـاري را ندارنـد و ممكن است به طوركلي نامناسب باشند. در این مورد رعایت مبحث هشتم مقررات ملی ساختمان ایران لازم می باشد. میلگردهای مسلح کننده باید از رده S400 و پایین تر باشند.
مصالح سنگدانه ای در طراحی انفجاری
مصالح سنگدانه اي ريز و خاك به علت قابليت استهلاك انرژي مناسبي كه در مقابل بارهـاي انفجـاري دارند، در حالت كيسه اي مي توانند براي ساخت پناهگاه هاي سطحي موقت مورد استفاده قرار گيرد.
مصالح نما در طراحی انفجاری
اجراي انواع اندودهاي نماسازي نقش مؤثري در پايداري ديوار خارجي داشـته و آسـيب پـذيري آنهـا را نسبت به ديوارهاي خارجي بدون اندود نما به مراتب كاهش مي دهد. آن دسـته از ديوارهـاي خـارجي ساختمان كه نماي اندود سيمان دارند در برابر نيروي انفجاري مقـاوم تـر از نمـاي آجـري مـي باشـند . نماهاي پيش ساخته بتن مسلح نيز در برابر انفجار بسيار مناسب مي باشند.
فولاد ساختماني در طراحی انفجاری
فولادهای ساختمانی در رده st37 و st52 از شكل پذيري كافي جهت طراحي انفجاري برخوردار هستند. فولاد با مقاومت بالا مي تواند در موقعيت هاي مشخص، نظير درهاي انفجـاري و پـيچ هـا استفاده شود. به طور کلی سازه های فولادی مورد استفاده مقاوم در برابر انفجار باید بر حسب اهمیت ساختمان، باید ضوابط لرزه ای مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران را نیز برآورده نمایند.
ويژگي هاي ديناميكي مواد
در اين بخش به تشريح ويژگي هاي ديناميكي مصالح مورد استفاده در طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار می پردازیم :
ضريب افزايش مقاومت SIF
ضریب افزایش مقاومت مصالح سازه ای با استفاده از مبحث 9 و 10 مقررات ملی ساختمان ایران تعیین شده است که در هر صورت نباید از مقادیر موجود در جدول 1 بیشتر شود.
جدول 1- ضريب افزايش مقاومت
ضريب افزايش ديناميكي DIF
براي در نظر گرفتن تاثير افزايش مقاومت مصالح با نرخ كرنش سريع، ضـريب افـزايش ديناميكي به مقادير مقاومت استاتيكي اعمال مي شود. اين ضريب به ماهيت تنش (مثلاً خمشي، بـرش مستقيم) بستگي دارد. جدول 2 مقادير ضريب افزايش ديناميكي را براي بتن مـسلح و مـصالح بنايي و جدول 3 مقادير مربوطه را براي فولاد سازه اي بيان مي نمايد.
جدول 2- ضريب افزايش ديناميكي براي بتن مسلح و مصالح بنايي
جدول 3- ضرايب افزايش ديناميكي برای سازه هاي فولادي
تنش تسليم طراحي در سازه هاي مقاوم در برابر انفجار
مقاومت تسليم ديناميكي طرح Fdy، و مقاومت نهایی دینامیکی طرح Fdu، که در طراحی های انفجاری به کار می روند با اعمال ضریب افزایش مقاومت و ضریب افزایش دینامیکی به مقاومت تسلیم Fy و مقاومت نهایی Fu به دست می آیند.
رابطه 1
در رابطه فوق نیز fdc مقاومت فشاری مشخصه دینامیکی بتن و fc مقاومت فشاری مشخصه بتن می باشد.
سيستم هاي سازه اي مقاوم در برابر انفجار
نيروهاي ناشي از انفجار به صورت فشارهاي شديد به ناحية محدودي كه در مقابل انفجار قرار دارد وارد مي شود و به اعضاي دورتر فشار كمتري اعمال مي گردد. در نتيجه روال طراحي سازه در مقابل انفجار، طراحي در مقابل شكست موضعي عناصر موجود در جبهه اول شامل عناصر نما و تيرها و ستون هاي پيراموني ساختمان مي باشد.
سيستم هاي رايج براي ساختمان
ساختمان هاي معمولي ممكن است مقداري مقاومت انفجاري داشته باشند، اما مشخصه هاي خاصي از ساختمان هاي معمولي، مانند پنجره هاي بزرگ، ديوارهاي بنايي غيرمسلح و اتصالات ضعيف، مي تواند اين ساختمان ها را حتي در برابر تاثيرات انفجار ضعيف نيز آسيب پذير كند و مقاومت انفجاری آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در ادامه اين بخش به معرفي چند سيستم رايج ساختماني در زمینه مقاومت انفجاری پرداخته مي شود :
ديوار بنايي مسلح
ديوارهاي بنايي مسلح در طراحی انفجاری مي توانند به عنوان عناصر نما و باربر جانبي مقاوم در برابر فشار انفجار مورد استفاده قرار گيرند و نيز مي توانند به صورت دوگانه همراه با قاب فولادي يا بتني براي تحمل بارهاي قائم و جانبي استفاده شوند. ديوارهاي خارجي از مصالح بنايي مسلح به صورت دو طرفه براي هر دو دهانه افقي و قائم طراحي و مسلح مي شوند. ديوار بنايي مسلح كه موازي با جهت اعمال نيروي انفجار قرار دارند، مي توانند به عنوان ديوارهاي برشي براي انتقال نيرو هاي جانبي به پي مورد استفاده قرار گيرند. در ديوارهاي بلوكي مسلح، بلوك هاي بیست سانتي متري كه آرماتورهاي در امتداد قائم در مركز آنها و آرماتورهاي افقي در هر لايه آنها كار گذاشته شده و كاملاً با ملات پر شده اند، بايد استفاده شوند. اتصالات به سازه بايد طوري طراحي شوند كه ظرفيت نهايي جانبي ديوار را داشته باشند.
ديوار بتني پيش ساخته
حداقل ضخامت ديوار بتني پیش ساخته 120 ميلي متر بدون در نظر گرفتن نازك كاری مي باشد. براي اجراي ديوار بتني پيش ساخته در قاب فولادي، پس از اجراي قاب فولادي، ديوار بتني پيش ساخته درون چهار چوب فولادي تعبيه مي شود. وضعيت قرارگيري ديوار پيش ساخته بايد به گونه اي باشد كه از هر طرف حداقل به اندازه طول مهاري آرماتور انتظار ديوار و يا 50 سانتيمتر (هركدام كه بزرگ تر بود) با ستون فولادي فاصله داشته باشد. ميلگردهايي مشابه آرماتورهاي انتظار ديوار به ستون فولادي در راستاي آرماتورهاي انتظار ديوار جوش شده و سپس حد فاصل بين ديوار و ستون قالب بندي شده و بتن ريزي صورت مي گيرد. در خصوص ساير روش هاي اتصال ديوار پيش ساخته به اسكلت به تشخيص طراح عمل شود.
ديوار بتني درجا
ساختمان با ديوار بتني درجا در طراحی انفجاری براي فشارهاي انفجاري متوسط و زياد مورد استفاده قرار مي گيرد. ضخامت بتن ديوارها، اندازه و جايگذاري ميلگردها بايد طوري انتخاب شوند كه مقاومت انفجاري متوسط و زياد باشد. حداقل ضخامت ديوارهاي بتن مسلح درجا 200 ميلي متر مي باشد.
قاب قوسي و شيب دار (با سقف سبك)
چنين سازه هايي با سقف سبك و پوشش سبك مقاومت انفجاری مناسبی ندارند. با تشخيص طراح مي توان از پوشش و نماي بتن مسلح براي استحكام بخشيدن به اين سازه ها بهره جست.
سیستم های سازه ای رایج برای سازه های پناهگاهی
پناهگاه ها سازه هايي مي باشند كه از آنها انتظار مي رود در مقابل فشارهاي زياد ناشي از انفجار متوسط و زياد مقاوم باشند. سازه هاي پناهگاهي را معمولاً مي توان به سه روش نيمه مدفون، مدفون و تونل اجرا نمود. در روش اجراي مدفون و نيمه مدفون، ضخامت خاك روي پناهگاه بايد حداقل به اندازه نصف كوچكترين بعد پناهگاه يا 2 متر (هر كدام كه بزرگترند) باشد. به هر حال مجموع ضخامت خاك و بتن بايد بزرگتر از عمق نفوذ بمب هاي نفوذگر باشد. استفاده از خاك تراكم پذير نسبت به خاك هاي با دانه بندي يكنواخت ارجحيت دارد. همچنين استفاده از ماسه بادي مجاز نيست و بهتر است از شن شكسته با دانه بندي درشت استفاده شود.
سازه پناهگاهي مدفون و نيمه مدفون درجا
با توجه به مقاومت موجود در زمين، مي توان پناهگاه هاي زيرزميني با مقاومت انفجاری بالا احداث نمود. سازه هاي مدفون و نيمه مدفون بايد به گونه اي طراحي گردند كه براي انسان و تأسيسات مناسب باشند.
سازه هاي مدفون در برابر انفجارهايي غير از انفجارهاي در داخل زمين، بسيار مقاوم و قابل اطمينان مي باشند. قسمت هاي باربر سازه هاي مدفون (سقف، ديوارها و كف) بايد از بتن مسلح درجا ساخته شوند. استفاده از سازه هاي پيش تنيده، همچنين سازه هايي با مصالح آجري و ساير مصالحي كه قابليت تغييرپذيري و شكل پذيري كمتري دارند، براي ساخت پناهگاه ممنوع است.
اين نوع سازه ها را مي توان به صورت نيمه مدفون نيز استفاده نمود. مثلاً بخشي از سازه بالاي سطح زمين و بخشي ديگر مدفون مي باشد و يا نيمي از عرض يا ارتفاع آن در داخل زمين قرار مي گيرد ولي در كل با افزايش عمق دفن اين سازه ها، مقاومت آنها در برابر انفجار افزايش مي يابد. پناهگاه هاي عمومي و اختصاصي بايد به ترتيب قابليت تحمل بارهاي ناشي از انفجارهاي قوي و ضعيف را داشته باشند.
سازه هاي پناهگاهي مدفون و نيمه مدفون پيش ساخته
جعبه هاي بتني پيش ساخته را مي توان به عنوان نوعي پناهگاه پيش ساخته مورد استفاده قرار داد. اين قطعات در كارگاه ساخته شده و توسط كاميون به محل نصب حمل مي شوند. پس از استقرار در محل آماده شده و پس از چفت و بست كردن آنها و عايق بندي رطوبتي، بر رويشان خاك ريخته مي شود. اين سازه ها به طور اقتصادي مقاومت انفجاری متوسطی دارند.
گنبدها و قوس هاي پيش ساخته نيز مي توانند براي احراز شرايط سطوح بالاي مقاومت در برابر انفجار به كار برده شوند. مزيت اول آنها كاهش بار است كه ناشي از سطوح منحني در معرض موج انفجار مي باشد. مزيت دوم آنها اثر بخشي بالا در مقاومت كه به خاطر شكل چنين سازه هايي است مي باشد. مشكل اين نوع سازه ها بخاطر محدود شدن فضاي داخل ساختمان و افزايش قيمت ساخت و ساز است.
منبع :
